不同時間尺度下刺槐蒸騰耗水與環(huán)境因子關(guān)系

張 榮， 畢華興，2，3，4，5， 王 寧， 趙丹陽， 黃靖涵， 趙少波

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院，北京 100083；2.山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，北京 100083；3.水土保持國家林業(yè)局重點實驗室(北京林業(yè)大學)，北京 100083；4.北京市水土保持工程技術(shù)研究中心(北京林業(yè)大學)，北京 100083；5.林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心(北京林業(yè)大學)，北京 100083；6.北京國土丹青工程技術(shù)有限公司，北京 100083)

植物蒸騰是植物根系吸收土壤水分，通過木質(zhì)部運輸?shù)街参锶~片并散發(fā)到大氣中的過程，植物蒸騰受多種因素影響，植物生物學結(jié)構(gòu)決定自身的蒸騰潛能，氣象因子決定植物蒸騰的瞬時變化，土壤含水量決定植物的蒸騰峰值和蒸騰總量。已有研究表明，區(qū)域與樹種的差異性導致環(huán)境因子對植物蒸騰特征的影響不同，因此量化各區(qū)域環(huán)境因子對植物蒸騰的影響對研究植物蒸騰在林地水量平衡與水循環(huán)中的作用具有重要意義。

目前，關(guān)于植物蒸騰與環(huán)境因子的關(guān)系已經(jīng)開展了大量的研究，已有研究發(fā)現(xiàn)，不同時間尺度下植物蒸騰對環(huán)境因子的響應存在差異，王文杰等對興安落葉松蒸騰研究中發(fā)現(xiàn)，小時尺度下主導蒸騰的因子為太陽輻射、空氣相對濕度，日尺度下為土壤溫度，月尺度下為土壤溫度與土壤濕度；莫康樂等發(fā)現(xiàn)，永定河楊樹在小時間尺度下受太陽輻射與水汽壓虧缺的影響較大，大時間尺度下受降雨量的影響較大；但現(xiàn)有研究仍然存在不足，如在研究環(huán)境因子變化對植物蒸騰影響時未考慮蒸騰與環(huán)境因子變化在時間上不同步性；選取環(huán)境因子時忽視土壤溫度的存在，而有學者研究表明，土壤溫度能夠影響植物根系活性與土壤水分有效性間接控制植物的蒸騰作用；此外，環(huán)境因子與植物蒸騰關(guān)系在不同時間尺度下的差異性研究也較少。因此，在前人研究的基礎上，有必要繼續(xù)研究不同時間尺度下植物蒸騰與環(huán)境因子的關(guān)系。

作為速生樹種的刺槐被廣泛栽植于中國北方地區(qū)，目前關(guān)于刺槐蒸騰與環(huán)境因子關(guān)系研究多集中于單一尺度，對多時間尺度下的研究較少。黃土高原是世界上最嚴重的水土流失地區(qū)之一，為治理水土流失，已經(jīng)栽植大量的水土保持樹種。其中，位于晉西黃土區(qū)的蔡家川流域于1991—1995年栽植大量刺槐人工林，已為當?shù)氐乃亮魇Х乐喂ぷ靼l(fā)揮了重要作用。基于此，本文選取晉西黃土區(qū)蔡家川流域立地條件、林分結(jié)構(gòu)相似的刺槐人工林作為研究對象，長期定位觀測刺槐樹干液流與環(huán)境因子變化，其主要目的是在綜合考慮環(huán)境因子與刺槐蒸騰變化不同步的前提下，探究不同時間尺度下刺槐蒸騰對環(huán)境因子的響應，研究影響刺槐蒸騰耗水的主要環(huán)境因子，分析不同時間尺度下刺槐蒸騰與環(huán)境因子關(guān)系的差異性，并建立不同時間尺度下刺槐蒸騰與環(huán)境因子關(guān)系的方程模型，以期為黃土區(qū)刺槐人工林地建設和水資源管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地位于晉西黃土殘塬溝壑區(qū)的蔡家川流域(36°14′27″—36°18′23″N，110°39′45″—110°47′45″E)，蔡家川流域?qū)儆邳S河支流，面積40.10 km。該流域處于溫帶大陸性季風氣候，海拔900～1 513 m，多年平均氣溫10 ℃，年內(nèi)降水分配不均，主要集中在6—9月，約占全年降水的70%，年均降水量575.9 mm，年均蒸發(fā)量1 723.9 mm。研究區(qū)土壤主要為褐土，黃土母質(zhì)。該地營造防護林中主要喬木樹種有山楊(Dode)、刺槐()、遼東櫟(Mary)、側(cè)柏((Linn.) Franco)等。

1.2 樣地與樣樹的選取

通過文獻與現(xiàn)場林分調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)刺槐多栽植于1991—1995年，林齡為27～31年，林分密度范圍為1 650～2 550株/hm，坡向基本為陽坡和半陽坡，研究區(qū)內(nèi)刺槐林地林分特征及其立地條件基本相似?；谡{(diào)查結(jié)果，選取3塊可代表研究區(qū)刺槐林平均水平(如林分密度、林齡以及立地條件)的刺槐樣地，在所選擇的3塊樣地中進行每木檢尺后按照徑階比例(圖1)選擇樹干筆直、長勢良好，無病蟲害的標準木8株，樣地及樣樹基本特征見表1和表2。

表1 樣地基本信息

表2 標準木基本參數(shù)

圖1 刺槐徑階分布頻率

1.3 樹干液流的測定及整樹蒸騰量的計算

采用Granier熱擴散探針監(jiān)測樹干液流速率，探針安裝在距離地面約1.3 m的樣樹樹干上，采用鋁箔紙將安裝部位包裹起來，防止雨水與太陽直射影響數(shù)據(jù)的準確性，設置為每30 s讀取1次數(shù)據(jù)，每15 min記錄1次數(shù)據(jù)。刺槐蒸騰速率采用Granier經(jīng)驗公式獲得，計算公式為：

(1)

式中：Δ為無液流時加熱探針與參考探針的最大溫差值(℃)；Δ為瞬時溫差值(℃)；為刺槐蒸騰速率[g/(h·cm)]。

用生長錐鉆取試驗樣木木芯，分別測量提取木芯的樹皮厚度和邊材厚度，計算該樹的邊材面積。邊材面積確定方程為：

(2)

式中：為樣樹邊材面積(cm)；DBH為樣樹胸徑(cm)；為樣樹樹皮厚度(cm)；為樣樹邊材厚度(cm)。

整樹單位時間蒸騰量(，kg/h)的計算公式為：

=(×)1000

(3)

1.4 環(huán)境因子的測定

1.4.1 氣象因子的測定 刺槐樣地內(nèi)安裝有全自動氣象站同步觀測距地面20 m處的氣象因子，包括太陽輻射(，W/m，CMP-3總輻射傳感器)、空氣溫度(Air，℃，HMP155A空氣溫濕度傳感器)、空氣相對濕度(，%，HMP155A空氣溫濕度傳感器)、降雨量(，mm，TE525MM 翻斗式雨量桶)、風速(，m/s，010C-1風速傳感器)，林內(nèi)20 cm深度土壤溫度(，℃，109土壤溫度傳感器)，設置數(shù)據(jù)采集時間間隔為30 min，并采用CR1000數(shù)據(jù)采集與記錄器收集數(shù)據(jù)，水汽壓虧缺(VPD)綜合反映空氣相對濕度與空氣溫度的協(xié)同效應，計算方法為：

(4)

1.4.2 土壤含水量的測定 在樣地內(nèi)布設Enviro-SMART土壤水分測定儀FDR,該儀器可對林地土壤水分長期連續(xù)觀測，觀測深度為0—100 cm，分為0—10，10—20，20—40，40—70，70—100 cm共5個觀測層。同時，為了對FDR的測量數(shù)據(jù)進行標定，對每個試驗樣地使用土鉆取土，并用烘干法測定土壤含水量。

各土層儲水量計算公式為：

=×

(5)

總儲水量計算公式為：

(6)

式中：為各土層儲水量(mm)；為第個探頭監(jiān)測的土壤體積含水量(%)；為各測層厚度(mm)；為0—100 cm土層的總儲水量(mm)。

土壤相對有效含水率(REW)計算公式為：

(7)

式中：SWC為實測土壤含水量；SWC為研究期間實測土壤含水量最小值；SWC為林地田間持水量。

1.5 Guass方程

(8)

式中：()為擬合函數(shù)的因變量；為時間；為因變量達到峰值時對應時間；、、為方程參數(shù)。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019軟件對數(shù)據(jù)進行處理與計算，使用SPSS 22和R語言軟件分析數(shù)據(jù)，采用Origin 2021軟件繪圖，并將蒸騰速率與環(huán)境因子數(shù)據(jù)進行歸一化處理。在小時、日尺度上采用Person相關(guān)分析法分析蒸騰速率與環(huán)境因子的相關(guān)性，月尺度上采用皮爾遜相關(guān)分析法；采用蒸騰速率與單個環(huán)境因子回歸方程擬合度量化環(huán)境因子對蒸騰速率的影響程度；采用逐步回歸法構(gòu)建模型解釋環(huán)境因子對蒸騰速率的綜合影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分動態(tài)變化

由圖2可知，0—40 cm土層土壤含水量隨降雨波動明顯，而40—100 cm土層土壤含水量變化不明顯，根據(jù)降雨歷時與降雨量分析可得5—8月短期降雨只能補充淺層土壤水分，深層土壤水分需要歷時長、降雨量大才能得到補充，因此在分析刺槐蒸騰與土壤水分關(guān)系時將土壤水分分為2個深度，即降雨快速補充土壤水分層(0—40 cm)和土壤水分不明顯變化層(40—100 cm)。

圖2 土壤水分動態(tài)變化

2.2 小時尺度刺槐蒸騰與環(huán)境因子的關(guān)系分析

已有研究表明，植物蒸騰與氣象因子的變化在時間上并不同步，目前關(guān)于刺槐蒸騰與氣象因子變化的時間差異性研究多集中在太陽輻射、空氣溫度、水汽壓虧缺3個方面，有關(guān)土壤溫度的研究較少，采用Guass方程繪制刺槐蒸騰速率與氣象因子隨時間變化過程線(圖3)，刺槐蒸騰與太陽輻射、空氣溫度、水汽壓虧缺、土壤溫度變化存在時間差異性，達到峰值的差異時長分別為30，-90，-90，-180 min。

圖3 刺槐蒸騰速率與氣象因子變化

根據(jù)以上分析結(jié)果采用Person相關(guān)分析法分析刺槐蒸騰速率與環(huán)境因子的關(guān)系(表3)，在小時尺度下，除空氣相對濕度外，刺槐蒸騰速率與環(huán)境因子均為正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)關(guān)系由大到小分別為太陽輻射、空氣溫度、水汽壓虧缺、土壤溫度、空氣相對濕度、風速、0—40 cm土層土壤含水量、40—100 cm土層土壤含水量。

表3 不同時間尺度下刺槐蒸騰速率與環(huán)境因子相關(guān)分析

刺槐蒸騰速率與各個環(huán)境因子進行回歸分析，擬合度表示環(huán)境因子對蒸騰速率變化解釋程度(表4)，小時尺度下，太陽輻射與蒸騰速率的回歸方程對蒸騰速率變化解釋程度最大，解釋程度為68.3%；其次是空氣溫度，解釋程度為47.6%；土壤含水量的解釋程度最小，解釋程度為0.03%左右。刺槐蒸騰速率與環(huán)境因子的逐步回歸分析反映了刺槐蒸騰速率與環(huán)境因子的綜合影響，刺槐蒸騰速率變化受到太陽輻射、空氣溫度、0—40 cm土層土壤含水量、風速、土壤溫度、水汽壓虧缺、空氣相對濕度的綜合影響，逐步回歸方程式能解釋74.7%蒸騰速率變化。

表4 不同時間尺度下蒸騰速率與環(huán)境因子回歸分析擬合度

2.3 日尺度刺槐蒸騰與環(huán)境因子的關(guān)系分析

2.3.1 日尺度下不同土壤含水量對刺槐蒸騰的影響 以土壤有效含水率(REW)為依據(jù)研究日尺度不同土壤含水量條件下刺槐蒸騰速率的變化特征(圖4)，5—8月(生長初期與生長盛期)0—40 cm土層土壤有效含水率小于0.6，40—100 cm土層土壤有效含水率小于0.1，說明淺層和深層土壤水分均處于虧缺狀態(tài)，且由于5—8月降雨無法補充深層土壤水分，因此深層土壤水從虧缺更嚴重，9—10月(生長末期)降雨補充水分，土壤有效含水率升高，此時刺槐進入生長末期，蒸騰速率變小。為了準確研究植物蒸騰對不同土壤含水量的響應，選取5—8月的試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。由表5可知，當0—40 cm土層土壤有效含水率為0～0.1，0.1～0.2，0.2～0.3，0.3～0.5時，刺槐平均蒸騰速率分別為1.789，2.018，2.050，2.046 g/(h·cm)，當0—100 cm土層土壤有效含水率為0～0.1時，刺槐平均蒸騰速率為1.933 g/(h·cm)，說明淺層土壤有效含水率與刺槐蒸騰速率成正比，淺層土壤含水量的增加能夠提高刺槐的蒸騰速率。

圖4 研究期間土壤有效含水率變化

表5 不同土壤有效含水率下日均蒸騰速率變化特征

2.3.2 日尺度下刺槐蒸騰對環(huán)境因子的響應 由圖5可知，日尺度上，刺槐蒸騰速率與空氣溫度、土壤溫度、太陽輻射、水汽壓虧缺呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.491，0.485，0.402，0.416，與空氣相對濕度呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.381，與風速的相關(guān)性不明顯，相關(guān)系數(shù)為0.049(>0.05)(表3)。

圖5 日尺度刺槐蒸騰速率與環(huán)境因子響應

由表4和表6可知，日尺度下，0—40 cm土層土壤含水量與蒸騰速率的回歸方程對蒸騰速率變化解釋程度最大，解釋程度為50.6%；其次是40—100 cm土層土壤含水量、空氣溫度、土壤溫度，解釋程度分別為42.3%，24.1%，23.5%；空氣相對濕度的解釋程度最小，解釋程度為14.5%。刺槐蒸騰速率與環(huán)境因子的逐步回歸分析引入了空氣溫度、空氣相對濕度、40—100 cm土層土壤含水量、水汽壓虧缺，回歸方程式能解釋59.2%蒸騰速率變化。

2.4 月尺度刺槐蒸騰與環(huán)境因子的關(guān)系分析

由圖6可知，在月尺度上，刺槐蒸騰量與空氣溫度、土壤溫度變化特征一樣，均為先增后減變化；2個深度土壤含水量的變化特征與蒸騰量相反，為先減后增變化；風速、水汽壓虧缺、太陽輻射逐月遞減；空氣相對濕度逐月遞增。采用皮爾遜相關(guān)分析法分析月尺度上刺槐蒸騰速率與各環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系(表3)顯示，蒸騰速率與太陽輻射、空氣溫度、土壤溫度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.858，0.955，0.952，與0—40 cm土層土壤含水量、40—100 cm土層土壤含水量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.913，-0.932；刺槐蒸騰速率與表征大氣濕度的指標空氣相對濕度、水汽壓虧缺相關(guān)性較弱，相關(guān)系數(shù)分別為-0.710，0.761；蒸騰速率與風速在月尺度上沒有相關(guān)關(guān)系。

圖6 刺槐蒸騰量與環(huán)境因子月均值變化

由表4和表6可知，月尺度下，2個深度土壤含水量與蒸騰速率的回歸方程對蒸騰速率變化解釋程度最大，解釋程度分別為91.2%，93.2%；其次是空氣溫度、土壤溫度，解釋程度分別為91.2%，90.6%，說明月尺度上刺槐蒸騰主要受到土壤含水量與溫度因子的影響。刺槐蒸騰速率與環(huán)境因子的逐步回歸分析引入了40—100 cm土層土壤含水量、空氣溫度，回歸方程式能解釋97.6%的蒸騰變化。

表6 不同時間尺度下蒸騰速率與環(huán)境因子逐步回歸方程

3 討 論

3.1 不同時間尺度下刺槐蒸騰速率對環(huán)境因子響應

忽視蒸騰與環(huán)境因子變化的時間差異會導致蒸騰速率對環(huán)境因子的響應研究存在誤差，環(huán)境因子與蒸騰速率相關(guān)性研究中很少考慮兩者變化在時間上的差異性，為提高研究結(jié)果的準確性，本文研究得到刺槐蒸騰速率與太陽輻射、空氣溫度、土壤溫度、水汽壓虧缺的差異時長，此結(jié)論與前人的研究結(jié)果相似，可能是樹種與地區(qū)差異的影響，差異時長與前人的研究結(jié)果不同。分析刺槐蒸騰速率與環(huán)境因子關(guān)系可得，小時尺度上對刺槐蒸騰速率影響較大的環(huán)境因子為太陽輻射、空氣溫度、水汽壓虧缺，阮存鑫等研究表明，影響麻櫟和栓皮櫟蒸騰的氣候因子依次為太陽輻射、飽和水汽壓、空氣溫度和土壤含水量，且不同天氣下植物蒸騰對各氣候因子響應的敏感度不同。

日尺度上，研究不同土壤水分條件下刺槐蒸騰速率發(fā)現(xiàn)，5—8月刺槐林地一直處于水分短缺狀態(tài)(REW<0.4)，伴隨著土壤有效利用水分效率提高，刺槐蒸騰速率增大。降雨是研究區(qū)土壤水分的主要補給來源，它通過影響土壤含水量的變化來影響植物蒸騰，目前關(guān)于植物蒸騰對降雨響應的研究已有很多，陳勝楠等通過分析不同降雨類別前后油松蒸騰量變化比例發(fā)現(xiàn)，降雨對油松蒸騰具有促進作用；何秋月等采用人工截雨試驗發(fā)現(xiàn)，降雨的減少會導致刺槐蒸騰速率降低并引起其對氣象因子敏感性減弱；趙春彥等研究認為，不同量級小降雨對胡楊蒸騰的影響存在差異。本研究發(fā)現(xiàn)，5—8月降雨量只能補充淺層土壤水分，而日尺度下淺層土壤水分對刺槐蒸騰的影響較大，說明淺層分布著大量刺槐細根，淺層水分的變化會影響植物根系吸水能力。通過對日尺度上刺槐蒸騰速率與環(huán)境因子分析可得，主導環(huán)境因子為土壤含水量、空氣溫度、土壤溫度，這與莫康樂等的研究結(jié)果不同，且他的研究并未將土壤溫度作為環(huán)境因子考慮在內(nèi)，而孫旭等研究認為，土壤溫度才是主導北京山區(qū)油松液流的關(guān)鍵環(huán)境因子，本文在對晉西黃土區(qū)刺槐蒸騰研究中也發(fā)現(xiàn)了土壤溫度的重要性，因此各地在研究環(huán)境因子對樹種耗水影響時需考慮土壤溫度這一因素。在月尺度上，有研究認為，土壤溫度是影響植物蒸騰的主導環(huán)境因子，本文通過對月尺度上刺槐蒸騰速率與環(huán)境因子的分析認為主導環(huán)境因子為土壤含水量、空氣溫度、土壤溫度，可能是地理位置與樹種差異導致不同的研究結(jié)果，本研究只聚焦于單一空間尺度的研究，研究結(jié)果具有一定的局限性，在今后的研究應該擴大研究的空間尺度，建立不同尺度下植物蒸騰與環(huán)境因子關(guān)系模型，為林地建設與水資源管理提供理論指導。

3.2 不同時間尺度下刺槐蒸騰對環(huán)境因子響應差異

本研究發(fā)現(xiàn)，不同尺度下刺槐蒸騰與環(huán)境因子的關(guān)系存在差異，小尺度淺層土壤含水量對蒸騰速率影響較大，長時間尺度淺層與深層土壤含水量共同作用影響刺槐蒸騰。此外，隨著尺度的增大，土壤溫度與土壤含水量對刺槐蒸騰的影響逐漸增大；太陽輻射、水汽壓虧缺對刺槐蒸騰的影響逐漸減??；風速僅在小時尺度上對蒸騰有影響，日、月尺度上無影響。研究結(jié)果說明，在較大尺度下，地下因素逐漸變成影響蒸騰的主導因子，地上因素的作用逐漸減弱。考慮到降雨量、地下水與地被覆蓋物等會直接影響土壤狀態(tài)變化，間接影響到植物蒸騰過程，因此，在今后的植物蒸騰研究中，需要進一步探討間接因子對蒸騰變化的作用機理。

小時尺度上的逐步回歸中，一共進入7個環(huán)境因子，第1進入因子為太陽輻射，第2進入因子為空氣溫度，第3進入因子為0—40 cm土層土壤含水量，第4進入因子為風速，第5進入因子為土壤溫度，第6進入因子為水汽壓虧缺，第7進入因子為空氣相對濕度；日尺度上的逐步回歸中，一共進入4個環(huán)境因子，第1進入因子為空氣溫度，第2進入因子為空氣相對濕度，第3進入因子為40—100 cm土層土壤含水量，第4進入因子為水汽壓虧缺；月尺度的逐步回歸中，一共進入2個環(huán)境因子，第1進入因子為40—100 cm土層土壤含水量，第2進入因子為空氣溫度。這個結(jié)果說明隨著尺度的增大，在構(gòu)建刺槐蒸騰模型時需要考慮的因素會減少，因此較大尺度上的刺槐蒸騰估算可以考慮通過監(jiān)測環(huán)境因子達到目的。

4 結(jié) 論

(1)小時尺度下，刺槐蒸騰與太陽輻射、空氣溫度、水汽壓虧缺、土壤溫度變化在時間上不同步，錯位時長分別為30，-90，-90，-180 min。

(2)不同深度土壤水分對刺槐蒸騰的影響在時間尺度上存在差異，小時間尺度取決于表層土壤水分，長時間尺度同時取決于表層與較深層土壤含水量。

(3)刺槐蒸騰與環(huán)境因子的關(guān)系在不同時間尺度下存在差異，在小時尺度下太陽輻射、空氣溫度、水汽壓虧缺為主導因子；日尺度下，空氣溫度、土壤含水量、土壤溫度為主導因子；月尺度下空氣溫度、土壤含水量、土壤溫度為主導因子。

(4)在估算植物蒸騰耗水時，小尺度推薦使用測定植物蒸騰的儀器直接計算，大尺度可以通過監(jiān)測較少的環(huán)境因子間接計算。